I suoni

Suono: vibrazione acustica capace di produrre una
sensazione uditiva
Il suono è dovuto a particolari movimenti o vibrazioni,
generati da una sorgente sonora, capaci di propagarsi nei
solidi, nei liquidi e nei gas e quindi anche nell’aria.
I suoni
•
Chiara Epifanio
I suoni
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I suoni
Il nostro orecchio avverte le variazioni di pressione del
mezzo (per es. aria) e traduce queste variazioni di
pressione in stimoli nervosi che arrivano sino al
cervello dove vengono rielaborati e interpretati.
L’onda sonora è esprimibile mediante una curva
continua.
• la lunghezza d’onda (segmento blu) indica la tonalità (o
altezza) del suono,
• l’ampiezza (segmento verde) rappresenta il volume (o
intensità) del suono.
Chiara Epifanio
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• Contrariamente al suo significato nel linguaggio comune,
con altezza di un suono non si indica la forza o il volume
del suono, ma una quantità che permette di distinguere
suoni acuti (per es. un violino) da suoni gravi (per es. un
contrabbasso).
Questo suono è più acuto
Questo suono è più grave
• Per misurare l’altezza di un suono bisogna considerare la
frequenza di oscillazione, cioè il numero di oscillazioni
complete (cicli) compiute nell’unità di tempo.
• Più elevata è la frequenza di un suono, minore è il tempo
che impiega a compiere una oscillazione, più oscillazioni
complete sono state compiute nell’unità di tempo, e quindi
più acuto sarà il suono.
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L’unità di misura della frequenza è l’hertz.
Questo suono ha un
volume basso
Questo suono ha
un volume alto
Una persona giovane, con l’udito perfetto, riesce a percepire suoni gravi a partire da circa 16 Hz e suoni acuti
fino a circa 16 KHz.
Infrasuoni
Area Uditiva
Ultrasuoni
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Ma non esistono solo ampiezza e lunghezza…
L’ampiezza di un’onda sonora rappresenta l’intensità di un suono e
viene misurata in decibel o dB..
Es.:
Su uno stesso brano musicale il suono prodotto da una
chitarra e da un pianoforte è diverso.
Suono
Intensità (dB)
In corrispondenza della stessa nota la corrispondente
corda del piano e quella della chitarra vibrano con la
stessa frequenza, ma in modo diverso.
Lancio di una navicella spaziale
Soglia del dolore
Musica Rock
Delle Grida
Una conversazione
Un leggero bisbiglio
160-200
140
120
100
40-80
20
Ciascuno strumento dà una sua "impronta" (o timbro)
alla nota; in altre parole si tratta di onde rappresentate da
funzioni che hanno lo stesso periodo ma hanno grafici
con forma anche molto diversa. Il timbro rappresenta il
terzo elemento caratterizzante dei suoni.
Chiara Epifanio
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Le sorgenti sonore complesse, come la nostra voce o gli
strumenti musicali, non generano dei suoni sinusoidali
“puri”. Il segnale emesso è composto da una serie di due o
più onde audio, ognuna con una propria frequenza ed
ampiezza.
Il segnale nel suo complesso ha una frequenza
fondamentale (quella con ampiezza più grande) e delle
frequenze secondarie dette armoniche.
La nostra capacità di distinguere i suoni degli strumenti,
anche sulla stessa nota musicale, dipende dal fatto che ogni
strumento emette il suono con le stesse armoniche aventi,
però, ampiezze diverse.
Chiara Epifanio
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Un rumore è una sovrapposizione casuale di frequenze diverse,
non armonicamente correlate, e non può essere descritto dai tre
parametri altezza, intensità e timbro. Il grafico corrispondente ha
una forma “brutta”, priva di regolarità.
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Suoni
?
La rappresentazione dei
suoni in un computer
Cifre binarie
OK
Impulsi elettrici
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Segnale analogico
Il suono, per essere trasformato all’interno del computer,
deve subire due trasformazioni.
1) La prima viene fatta dal microfono, che raccoglie le
onde sonore presenti nell’ambiente e le trasforma in segnali
elettrici.
Il segnale così ottenuto è anch’esso rappresentabile
mediante onde e viene detto di tipo analogico. Esso varia
con continuità e quindi può essere rappresentato
graficamente mediante una linea curva continua.
Chiara Epifanio
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2) La seconda trasformazione (digitalizzazione) converte il
segnale analogico in forma numerica o digitale.
Questa trasformazione è effettuata dalla scheda audio.
Il procedimento è il seguente: si fanno delle letture del
segnale ad intervalli di tempo regolari e molto brevi,
memorizzando nella forma digitale anziché tutti i punti che
formano l’onda, solo i valori in corrispondenza di tali
intervalli.
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Questo procedimento è detto campionamento
(discretizzazione temporale) per il fatto che vengono letti
non tutti i punti, ma solo alcuni di essi, che costituiscono,
appunto, un campione.
Per ogni punto viene memorizzato un numero che
rappresenta il valore di ampiezza corrispondente, riportato
sull’asse delle ordinate.
Questi numeri, trasformati in base 2, rappresentano il
segnale digitale.
Frequenza di campionamento
• La frequenza di campionamento (sampling rate) è il
numero di campioni rilevati in un intervallo, corrisponde,
quindi, al numero di volte che il segnale è campionato nel
tempo (sec).
• Corrisponde all’inverso del periodo di campionamento.
• E’ un parametro fondamentale che determina la
somiglianza tra il segnale digitalizzato e quello analogico.
• Viene misurata in kHz.
Chiara Epifanio
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Esempi di frequenza di campionamento
Teorema di Niquist-Shannon
Un segnale analogico può essere completamente ricostruito a
partire dai suoi campioni se si effettua il campionamento ad
una frequenza almeno doppia rispetto alla sua frequenza
massima.
fc>2fmax
• In campo telefonico viene destinata alla voce una banda di
frequenza tra 300 Hz e 3,4 KHz, per cui si potrebbe
campionare il messaggio a partire da 6,8 KHz.
• I brani musicali memorizzati su CD devono essere fedeli ai
brani musicali, quindi, poiché la banda acustica del nostro
orecchio arriva al massimo fino a circa 20 KHz, si sceglie
una frequenza di campionamento di 44,1 KHz (44.100
campioni al secondo).
• Nei comuni software di digitalizzazione audio, il numero
di campioni prelevabili può arrivare anche fino a 96.000 al
secondo.
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Quantizzazione e codifica dei suoni
I suoni
Quantizzazione e codifica dei suoni
Dopo che è stato campionato, il segnale non è ancora in una
forma utile per essere memorizzato ed elaborato da un
computer (i valori prelevati sono numeri reali composti da
infinite cifre).
Con la quantizzazione, i valori reali campionati vengono
convertiti in valori discreti attraverso un’approssimazione.
Una volta definiti i livelli di quantizzazione mediante i
quali approssimare i campioni del segnale, ogni campione
quantizzato viene codificato con un diverso numero
binario.
Chiara Epifanio
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• La lunghezza delle parole binarie utilizzate per quantizzare
ciascun campione si chiama bitdepth (profondità di bit).
• Tipicamente si utilizzano parole di 8 bit (con 256 valori di
campionamento distinti) o di 16 bit (con 65.536 valori di
campionamento distinti).
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Frequenza di campionamento bassa
Quantizzazione a 8 bit
Frequenza di campionamento alta
0 62 97 97 62 0
0 36 62 84 97 102 97 84 62 36 0
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Frequenza di campionamento bassa
Quantizzazione a 16 bit
0 15860 24792 24792 15860 0
Chiara Epifanio
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Frequenza di campionamento alta
Quantizzazione a 16 bit
0 9253 15860 21601 24792 26115 24792 21601 15860 9253 0
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Riassumendo…
Ma non bisogna sottovalutare che ...
Un’altra componente che può modificare la qualità del
suono digitale è il tipo di registrazione (mono, stereo,
Dolby
Surround).
Anche
questa
influenza
l’occupazione in memoria del file audio.
Una registrazione stereo, infatti, occupa il doppio di una
mono perché i suoni stereo sono acquisiti su due canali
distinti, anche se le registrazioni sono effettuate
contemporaneamente.
Ciò implica un doppio spazio in memoria…...
Chiara Epifanio
Quantizzazione a 8 bit
• La qualità e la dimensione di un file audio dipendono
essenzialmente da tre variabili:
• la frequenza di campionamento,
• il bitdepth,
• il numero di canali.
• Il prodotto di queste tre variabili prende il nome di bitrate
(numero di bit utilizzati nel campionamento di un secondo
di suono)
• La dimensione complessiva di un file audio (non
compresso) è data da
Bitrate x durata in sec del brano
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Facciamo quattro conti….
Se volessimo calcolare la quantità di memoria occupata da un
file sonoro di 1 minuto in modalità stereofonica (2 canali)
registrato con frequenza di campionamento 44,1 KHz e con
profondità di 16 bit (CD-quality) (per comodità calcoliamola
Quindi ...
Microfono,...
(input)
Scheda
audio
Unità
centrale
direttamente in byte)
Profondità = 2 byte
Frequenza di campionamento = 44,1 KhZ
Numero di canali = 2
Bitrate= 172,27 KBps
10010101001..
Segnale digitale
Quantità di memoria occupata per un minuto di musica =
172,27 KBps * 60 sec~10 MB
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Onda sonora
Segnale elettrico analogico
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Procedimento inverso
Con il procedimento inverso, partendo cioè dal segnale
digitale, sarà possibile ricostruire l’andamento dell’onda e
riprodurla.
Anche questa trasformazione viene compiuta dalla scheda
audio. Le casse poi, che svolgono una funzione opposta a
quella del microfono, trasformeranno il segnale elettrico in
vibrazione da propagare nell’aria, cioè nel suono vero e
proprio.
Chiara Epifanio
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In questo caso il segnale procederà per salti, in
modo discontinuo, e quindi la rappresentazione
non può essere fatta con una linea curva continua,
ma mediante una spezzata.
Più alta è la frequenza di campionamento che era
stata scelta nell’acquisizione del suono, più breve
è l’intervallo tra i punti campionati e più la linea
spezzata, che rappresenta la ricostruzione della
forma dell’onda, sarà simile a quella analogica di
partenza e quindi la ricostruzione del suono fedele.
Chiara Epifanio
Viceversa...
Casse
(output)
Scheda
audio
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Il formato wave
(Waveform audio format, .wav)
Unità
centrale
• Il formato Wave è lo standard di Windows per file sonori.
• E’ un formato compresso, con compressione piuttosto
scarsa (1 minuto di suoni ~ 10 MB)
• E’ uno dei più diffusi, anche per i brani musicali presenti
nei classici CD Audio
• Quando si registra con il “Registratore di suoni” Windows
si crea un file di questo formato.
10010101001..
Segnale digitale
Onda sonora
Onda ricostruita partendo
dal segnale digitale
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I file Midi
(Musical Instrument Digital Interface,.mid o .midi)
Il file audio non è ottenuto digitalizzando un’onda sonora, ma
registrando le istruzioni per suonare le note, con i relativi tempi
e con diversi strumenti musicali, come da spartito (1 minuto di
musica ~10 Kb)
Per creare un file audio è sufficiente:
•Collegare uno strumento musicale all’interfaccia MIDI,
•Scegliere tra note musicali e strumenti preesistenti nella
memoria del computer,
•Comporre nuovi brani musicali utilizzando il computer per
sommare diversi strumenti musicali.
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• Una differenza importante tra i due formati è che in un
file midi ci sono solo comandi, in un file wave ci sono
suoni.
Si può quindi dire che la differenza fra un file midi e un
corrispondente file audio Wave è paragonabile alla
differenza fra lo spartito di un brano e un nastro contenente
lo stesso brano registrato.
• Un’altra essenziale differenza è che nei file wave (come
nei disegni bitmap) non è possibile modificare un elemento
singolo del suono; nei file midi (analogamente ai disegni
vettoriali) ogni elemento è trattabile separatamente.
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• ..Aiff, .aif: il formato AIFF (Audio Interchange File Format) di
Apple è un formato analogo al wave.
• .Au: molto diffuso e utilizzato principalmente su Unix. Il
formato au, inoltre, gestisce anche modalità più efficienti di
quantizzazione che permettono una riduzione della mole di dati
anche di 4 volte il valore originale, al costo di una modesta perdita
di qualità.
Altri formati audio
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.ra (Real Audio): formato compresso con algoritmo di tipo lossy,
produce un notevole abbassamento delle dimensioni, ma provoca
una perdita di qualità considerevole. Per riprodurre i suoni .ra è
necessario il Real Player. E’ molto utilizzato in Internet perché
consente l’ascolto in streaming (modalità di trasmissione di un
flusso di dati, stream, da una sorgente che consente lo
scaricamento ed il loro utilizzo in tempo reale, senza attendere che
lo scaricamento sul computer sia terminato).
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• MPEG (Moving Picture Expert Group): nasce
all'inizio degli anni '90 come standard per la diffusione
del segnale audio digitale (oltre che quello video) di
qualità paragonabile a quella del CD audio.
Analogamente a quanto fanno i sistemi di riduzione del
rumore della famiglia Dolby, MPEG adotta tre sistemi di
codifica differenti denominati layer1, layer2 e layer3
(quest'ultimo noto anche come MP3), di efficacia e
complessità nell'ordine crescenti.
Chiara Epifanio
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Con MP3 è possibile comprimere i file audio (e video)
senza alcuna rilevante perdita di qualità, arrivando
addirittura a rapporti di compressione di 12:1.
Ad esempio una canzone di 5 minuti che in formato
Wave occupa circa 50 MB può essere ridotta a soli 4 MB.
L’MPEG elimina dai files audio determinate informazioni
che non sono necessarie.
Per far questo si basa sui risultati di ricerche di
Psicoacustica, una disciplina scientifica che si occupa della
percezione uditiva nell’uomo.
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Questi studi rivelano che il nostro orecchio non è in grado
di percepire frequenze “deboli” adiacenti a frequenze
“forti”, in quanto queste ultime coprono le prime.
Le informazioni inerenti le frequenze più deboli quindi,
poiché queste ultime non sarebbero comunque percepibili
dall’orecchio umano, vengono eliminate dall’MPEG
durante la fase di compressione.
In questo modo si ottiene una notevole riduzione del file
audio in termini di spazio fisico occupato.
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